Ученые зафиксировали рекордный сигнал от столкновения черных дыр, подтвердив теорию Хокинга

Колоссальные космические столкновения посылают ударные волны через всю Вселенную, порождая тонкие искажения в ткани пространства-времени. Десять лет назад наука подтвердила одно из самых неуловимых предсказаний Альберта Эйнштейна — существование гравитационных волн. Теперь, спустя десятилетие, столкновение черных дыр, почти идентичное тому первому, предоставило исследователям сигнал невиданной четкости и силы, ознаменовав начало нового этапа в изучении самых сокровенных тайн космоса.

Событие, получившее название GW250114, не только с абсолютной уверенностью подтверждает ключевой постулат Стивена Хокинга, но и демонстрирует, что гравитационно-волновая астрономия превратилась в фундаментальный инструмент для изучения природы гравитации и самых экстремальных объектов во Вселенной. Миллионы лет две черные дыры, каждая массой примерно в тридцать раз больше нашего Солнца, вращались друг вокруг друга в смертельном танце, диктуемом гравитацией. Расстояние между ними неумолимо сокращалось, пока в бесконечно малую долю секунды они не столкнулись на скорости, близкой к скорости света. Силы, высвобождаемые при таком событии, где сливаются самые компактные и массивные из известных объектов, имеют настолько огромную величину, что порождают рябь в самой ткани космоса — волны, которые распространяются по Вселенной, искажая пространство и время.

Эти волны являются колебаниями самого пространства-времени. Они напоминают волны на воде, но с той ключевой разницей, что движутся со скоростью света. Они не движутся сквозь пространство, они являются волнами самого пространства, представляя собой ритмичное растяжение и сжатие самой структуры Вселенной, объясняет Хосе Мария Эскиага, исследователь из Института Нильса Бора, который возглавляет группу LIGO-Virgo-KAGRA в NBI и участвовал в новых научных публикациях. Создаваемое этими волнами возмущение, однако, чрезвычайно мало. Чтобы зафиксировать их, ученые должны измерить изменения, которые в 700 триллионов раз меньше толщины человеческого волоса.

Необычайная четкость сигнала GW250114 во многом является результатом непрерывных улучшений измерительного оборудования, проводимых коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), которая объединяет более тысячи исследователей из обсерваторий США, Италии и Японии. Работа этих детекторов основана на измерении ничтожно малого смещения во времени, которое требуется высокоточным лазерам, чтобы пройти заданное расстояние. Когда гравитационная волна проходит сквозь детекторы, она растягивает и сжимает пространство-время, вызывая рассинхронизацию лазерных лучей. Сравнивая данные, одновременно записанные на трех станциях, можно вычислить местоположение в пространстве и расстояние до события, которое их породило.

Фаза процесса слияния, в которой черные дыры вращаются друг вокруг друга, предоставляет исследователям обильные данные для определения таких свойств, как масса и площадь исходных объектов. После столкновения сигнал быстро начинает затухать в так называемой фазе затухания, когда новорожденная черная дыра вибрирует аналогично тому, как вибрирует ударенный колокол. Именно интенсивность нового сигнала позволила впервые с высокой степенью достоверности проанализировать эту финальную фазу и вычислить массу и площадь образовавшейся черной дыры.

Этот анализ подтвердил с уровнем достоверности свыше 99% теорему о площади черной дыры, постулат, сформулированный десятилетия назад физиком Стивеном Хокингом. Эта теория утверждает, что площадь горизонта событий черной дыры, образовавшейся в результате слияния других, всегда должна быть больше суммы площадей ее прародителей. Мимолетность сигнала в фазе затухания до сих пор препятствовала надежной наблюдательной проверке этого принципа.

GW250114 — лишь одно из девяноста новых гравитационно-волновых наблюдений, недавно обнародованных консорциумом LVK. Этот пакет данных почти удваивает общее количество событий, доступных для изучения. Среди них выделяется еще одно колоссальное столкновение, зарегистрированное под именем GW231123, которое соответствует самому массивному слиянию черных дыр из когда-либо наблюдавшихся. В этом событии две черные дыры массой примерно 100 и 140 солнечных масс слились, чтобы создать новый объект массой не менее 225 солнечных масс, возможно, достигая 260.

Это открытие радикально бросает вызов современным моделям формирования черных дыр. Ранее наблюдавшиеся двойные системы обычно имели массы до 50 масс Солнца, за пределами которых количество обнаружений значительно сокращалось. Черная дыра, образовавшаяся в результате GW231123, выходит за рамки обычной классификации черных дыр звездной массы, которые образуются из-за коллапса массивных звезд, и попадает в диапазон так называемых черных дыр промежуточной массы — тех, что находятся между 150 и 100 000 солнечных масс, что представляет собой чрезвычайно редкое и загадочное недостающее звено для науки.

Наблюдение ставит под сомнение наше понимание того, как формируются черные дыры. Черные дыры такой массы не должны возникать в результате обычного звездного коллапса. Одна из возможностей состоит в том, что две черные дыры в этой системе сами были образованы в результате предыдущих слияний меньших черных дыр, но по правде говоря, мы не знаем этого точно. Также возможно, что сигнал был искажен во время своего путешествия по Вселенной, говорит Эскиага. Помимо своих экстремальных масс, обе черные дыры вращались с необычно высокими скоростями, что делает наблюдение еще более необыкновенным, хотя краткость и относительная слабость сигнала по сравнению с GW250114 чрезвычайно осложняет его анализ и интерпретацию.

Путь, пройденный от первого предсказания Эйнштейна почти столетие назад до сегодняшнего обилия наблюдений, является свидетельством того, как передовые исследования стимулируют технологические инновации. Технологические разработки, появившиеся в LIGO с 1980-х годов, были многочисленными и новаторскими. Среди них — новая техника стабилизации лазера, метод Паунда-Древера-Холла, теперь повсеместно используемый в атомных часах и квантовых компьютерах. Также были разработаны почти идеально отражающие зеркальные покрытия, важнейшие для прецизионных измерений, и внедрена техника под названием квантовое сжатие для улучшения чувствительности и снижения фонового шума, который в противном случае был бы ограничен законами квантовой механики. Точно так же были созданы новые методы искусственного интеллекта для удаления нежелательного шума и улучшения обработки сигналов.

Будущее этой области многообещающе. Коллаборация LVK планирует улучшить свои детекторы в ближайшие годы и построить новый в Индии, LIGO India, что облегчит локализацию источников гравитационных волн. В более долгосрочной перспективе запланировано строительство Cosmic Explorer с плечами длиной 40 километров и Европейского телескопа Эйнштейна с подземными сооружениями длиной более 10 километров. Эти инструменты следующего поколения смогут зафиксировать самые ранние слияния черных дыр, предлагая уникальное окно в самое начало Вселенной. Как заключает Хосе Мария Эскиага: Мы ожидаем, что эта область исследований будет иметь ключевое значение для нашего фундаментального понимания Вселенной. Мы только что достигли конца начала. Слушание Вселенной на ее самых глубоких частотах только началось.